Что отдает тепло вода или лед

Теплопроводность воды и льда и их особенности

Вода и лед: теплопроводность: Freepick

Теплопроводность воды в жидком и твердом состоянии обеспечивает жизнь в водоемах в зимний период. Что означает показатель и как его изменения помогают водной флоре и фауне? В поисках ответов на эти вопросы ученые обнаружили много интересных фактов.

Теплопроводность воды и льда

Особенные физические свойства имеет вода. Теплопроводность ее, например, в жидком и твердом состоянии отличается, что очень важно для природы. Прежде чем узнать точные значения этого показателя и рассмотреть примеры, познакомимся поближе с самим явлением.

Что такое теплопроводность

В прежние времена люди считали, что тепловая энергия передается благодаря перетеканию некоего «теплорода» из одного места в другое.

Но молекулярно-кинетическая теория подробно изучила это явление и сумела объяснить его с учетом взаимодействия частиц вещества. Молекулы из более нагретых частей двигаются быстрее и способны делиться энергией с холодными частями, сталкиваясь с их медленными частицами.

Как мы понимаем теплопроводность сегодня? Так ученые называют способность материального тела проводить энергию (тепло) от более нагретой части к менее нагретой благодаря хаотическому движению частиц — атомов, молекул, электронов и т. п.

Обмен теплом происходит в любом теле с неоднородно распределенной температурой. Однако его механизм отличается в зависимости от того, твердое, жидкое или газообразное вещество перед нами.

Также под теплопроводностью понимают количественную характеристику способности тела к проведению тепла. Если сравнить тепловую цепь с электрической, то этот показатель будет аналогом проводимости.

Количественно данное свойство характеризуют коэффициентом теплопроводности, который также известен как удельная теплопроводность:

• Эта характеристика показывает количество тепла, которое в течение единицы времени при температурной разнице 1 К проходит сквозь однородный образец материала с определенной длиной и площадью.
• Международная система единиц (СИ) приводит для него такие единицы измерения — Вт/(м×град) или Вт/(м×К).

Особенные свойства воды: Freepick

Каковы теплофизические свойства воды и льда

Коэффициент теплопроводности воды меняется в зависимости от температуры:

1. При 0 °С он равняется 0,569 Вт/(м×град).
2. При ее повышении он постепенно растет и, например, при температуре 20 °С составляет 0,603 Вт/(м×град).

С учетом столь маленьких значений коэффициента для воды перенос тепла в водных объектах становится не совсем обычным процессом. В природе на первый план в переносе тепла в водоемах выходят турбулентные процессы.

Теплопроводность льда имеет следующие особенности:

1. Коэффициент теплопроводности в чистом, лишенном пузырьков воздуха льде при 0 °С составляет 2,22 Вт/(м×град).
2. По мере уменьшения температуры показатель снижается.

Таким образом, показатель теплопроводности льда при 0 °С практически в четыре раза превышает данный показатель для воды при такой же температуре. Это говорит о том, что тепло проводится льдом гораздо быстрее, чем водой. Поэтому в живом организме замерзание происходит быстрее, чем оттаивание.

Почему вода не замерзает под толстым слоем льда

Показатели и особенности теплопроводности воды имеют важное значение для природы, а точнее, для жизни водоемов. Во многих уголках планеты температура окружающей среды значительно меняется в течение года.

Но даже при экстремально низких температурах водоемы никогда не промерзают до дна, благодаря чему в них сохраняется жизнь. В чем секрет? Разгадать эту загадку можно, если помнить о некоторых свойствах льда и воды.

Низкая теплопроводность льда

У льда плохая теплопроводность, поэтому, когда температура воздуха вокруг него снижается, под ним сохраняется относительное тепло. В любом случае температура будет плюсовая, благодаря чему вода не промерзнет до дна.

Таким образом из толстого слоя льда на водоеме получается своеобразное одеяло, оберегающее от мороза жизнь в водоемах. Чем сильнее холода, тем толще необходим слой льда, чтобы создать нужную теплоизоляцию.

Расширение воды при замерзании

Вода под слоем льда: Freepick

В процессе замерзания вода ведет себя нетипично для жидкости. Практически все жидкости во время охлаждения сжимаются, их объем сокращается, а концентрация увеличивается. К примеру, твердый воск тяжелее, чем жидкий, потому погружается в него и остается на дне.

С водой же происходит следующее:

• Она ведет себя так же, как и другие жидкости, до отметки в +4 °С, то есть сжимается.
• Дальнейшее замораживание приводит к постепенному расширению и уменьшению массы.
• Лед, который образуется при нулевой температуре, оказывается легче, чем незамерзший слой воды с плюсовой температурой.

Таким образом, вода при охлаждении не сжимается, а расширяется. В ходе этого процесса ее вес уменьшается.

Особенности плотности воды

Вода — особенное вещество еще и потому, что ее плотность в жидком состоянии выше, чем в твердом. Максимальной плотностью обладает вода при температуре +4 °С. В зимний период вода с такой температурной отметкой окажется на дне. Поверхность же украсит лед с плотностью около 900 кг/м³.

Сразу под ним будет вода с температурой около 0 °С, а по мере набора глубины температура достигнет +4 °С. При этом плотность будет расти, что не даст слоям смешаться и замерзнуть.

Как же замерзают водоемы? Этот процесс происходит так:

1. Вначале происходит охлаждение воды до +4 °С, ее плотность возрастает, и она спускается ко дну водоема. Нижние теплые слои, соответственно, поднимаются наверх, где происходит их остывание и дальнейшее погружение вниз.
2. Как только вся толща воды охладится до +4 °С этот процесс замедлится.
3. Дальнейшее охлаждение верхнего слоя приводит к процессу расширения и снижения плотности воды около поверхности. Опуститься вниз она уже не способна, поэтому продолжится замерзание и кристаллизация.
4. При нулевой отметке из верхнего слоя образуется лед, а нижний слой сохранит жидкое состояние.

Сохранение температуры выше ноля в нижнем слое водоемов обеспечивает живые организмы возможностью выжить в условиях суровой зимы. Если бы вода не имела таких особенных физических свойств, то всей водной флоре и фауне грозило бы вымирание.

Интересно, что аналогичное свойство было обнаружено в Солнечной системе на спутниках планет-гигантов, на которых существуют большие запасы воды. В придонных зонах внеземных океанов показатели температуры, как правило, еще выше.

Ученые считают, что жидкую воду можно обнаружить под льдом таких планет, как Европа, Каллисто, Ганимед, Рея, Титания, Оберон, Тритон, Плутон. Возможно, их ледяные корки скрывают огромные океаны.

Теперь вам известно не только то, какова теплопроводность воды, но и чем она особенна и чем полезна природе. Все эти чудеса постоянно происходят вокруг нас. Физика объясняет их и делает загадочные явление понятными.

Узнавайте обо всем первыми

Подпишитесь и узнавайте о свежих новостях Казахстана, фото, видео и других эксклюзивах.

Источник

Отопление с помощью льда. Извлечение энергии фазового перехода вода-лёд

Любое отопление – это получение энергии (в основном химическим способом окисления топлива), либо перенос энергии теплоносителем тепловыми насосами. Эта тема относится к модификации грунтового теплового насоса. Информация будет интересна для тех, кто знаком с принципом его работы.

Заголовок статьи звучит парадоксально, но этот способ можно кратко описать именно так. Используется физическое явление выделения энергии при фазовом переходе вода-лед:

Известно, что вода при замерзании выделяет много тепловой энергии (330 кДж/кг), это почти в 80 раз больше, чем выделяется при её остывании на 1 гр. При этом процессе замерзания вода не меняет свою температуру (-1С) пока не замерзнет весь ее объем.

Система представляет из себя не грунтовый теплообменник как в тепловом насосе грунт-вода, а тепловой насос вода-вода: в бетонную или иную надежную емкость, закопанную на глубину 4 м, устанавливают сам теплообменник и заливают воду. Тепловой насос извлекает тепло из воды, а в момент ее замерзания – вода отдает еще больше тепла.

Замершая вода в крайнем цикле процесса. А что дальше? Выкачивать тепло из льда уже не получится. Система останавливается? Да, и тепловой насос должен переключиться на вторую установку, вторую емкость. А первая переходит в режим оттаивания. Но тепло от грунта будет растапливать этот лед месяцами. Это и есть основной минус системы. Также нужна надежная емкость. Лед расширяется при замерзании воды и может деформировать бетонные кольца.

Для ускорения процесса оттаивания используют солнечные коллекторы:

В сибирские морозы в пасмурную погоду они не работают, но в ясную солнечную могут выдавать определенный объем тепловой энергии для оттаивания подземной емкости с водой. После замерзания воды во втором контуре – коллекторы переключаются на него, а система переходит на извлечение тепла из первой. Как становится понятным, нужна автоматика, контроллеры, следящие за температурой воды.

Основные цифры, говорящие, сколько содержится тепла (энергии) в определенной емкости:

По моим подсчетам, этого тепла в зимний период хватит на 10 дней для отопления дома площадью 120 м2 (если не прав — поправьте).

Есть информация, что под Гамбургом введена в эксплуатацию такая система отопления от энергии фазового перехода вода-лед и работает с 2015г. Емкость 1,5 млн. литров воды отапливает 500 домов. В Европе такая система с использование солнечных коллекторов вполне применима. И там ее плюс будет в том, что не нужно бурить скважины для теплообменников традиционных тепловых насосов грунт-вода. Меньше затрат на эти работы.

В свое время попадалось видео, где пенсионер-изобретатель поливал стену своего дома водой, та замерзала и он доказывал, что при замерзании выделяется тепло, которое компенсирует теплопотери дома.

Фотографии взяты из открытых источников, с сервиса Яндекс.Картинки

Подписывайтесь на канал, заносите его в закладки браузера (Ctrl+D). Впереди много интересной информации.

Источник

Ученые советуют, как спасти себя, оказавшись на холоде в мокрой одежде

В ледяных тисках смерти

У млекопитающих, к которым относится и человек, температура тела постоянная, но при сильном воздействии холода внутренние механизмы терморегуляции оказываются неспособны ее поддерживать. Наступает гипотермия, или переохлаждение, которая характеризуется понижением температуры тела ниже 35 градусов Цельсия. При этом нарушается нормальный обмен веществ и жизненно важные функции организма, что может привести к смерти.

Сначала организм пытается бороться: снизить потерю тепла, усилить приток крови к жизненно важным органам за счет конечностей, которые начинают неметь и замерзать, пытается согреться мышечным сокращением (дрожью) и ускорением обмена веществ. Если это не помогает, сосуды начинают расширяться, отдавая тепло прилежащим тканям. На короткое время руки и ноги словно отогреваются, дрожь прекращается.

Некоторые люди в этот момент начинают сбрасывать одежду: им кажется, что им жарко или что все вокруг охвачено огнем (так называемое «парадоксальное раздевание»).

Но такое ощущение обманчиво: теплая кровь, приливая от внутренних органов к конечностям, остывает, в результате дальнейшего охлаждения (ниже 33,9 градуса) падает артериальное давление, замедляется обмен веществ, дыхание и сердцебиение. Из-за нехватки кислорода пострадавший чувствует сонливость и усталость, постепенно впадая в кому. При внутренней температуре тела 23–24 градуса Цельсия наступает паралич дыхания и клиническая смерть. Известные во врачебной практике случаи спасения людей, пострадавших от гипотермии, после остановки сердца, — редкое исключение из правила.

Чаще помочь удается маленьким детям:

так, в 1994 году смогли вернуть к жизни двухлетнюю девочку из канадской провинции Саскачеван, которая вышла ночью из дома в сорокаградусный мороз и была найдена только утром.

Температура ее тела понизилась до 14 градусов.

Другой пример — Гарделл Мартин, двухлетний мальчик из Пенсильвании, упавший в ледяной ручей и не подававший признаков жизни более полутора часов. Температура его тела была около 25 градусов. Но всего через три дня он покинул больницу вместе с родными без каких-либо осложнений.

Холод во спасение?

Несмотря на смертельную опасность гипотермии, врачи порой понижают температуру тела людей умышленно. И речь здесь не только о Зигмунде Рашере и Йозефе Менгеле, проводивших эксперименты над узниками в концлагерях, чтобы установить, при какой температуре наступает смерть и какие способы согревания подопытного увеличивают его шансы на выживание. Нацистские врачи погружали заключенных в ванны с ледяной водой и обкладывали льдом, чтобы подготовить немецких солдат к морозам на Восточном фронте (так, было установлено, что при погружении затылка в ледяную воду человека уже нельзя спасти, поэтому был разработан специальный спасательный жилет, препятствующий этому).

В наши дни гипотермию применяют не в бесчеловечных опытах, а в медицине, спасающей жизни. Медикам из Сан-Паулу удалось избежать летальных исходов и уменьшить неврологические последствия гипоксическо-ишемической энцефалопатии у новорожденных (повреждения головного мозга из-за удушья) с помощью терапевтической гипотермии. Серджио Канаверо, итальянский хирург, довольно самоуверенно заявивший о том, что планирует провести успешную пересадку головы человека в декабре 2017 года, также намерен прибегнуть к помощи гипотермии, охладив пациента до 15 градусов Цельсия.

Плыть или не плыть?

В конце марта 2016 года рыбаки выловили в атлантических водах на расстоянии полукилометра от острова Мадейра британскую пенсионерку Сьюзан Браун, уже обессилевшую и держащуюся только за наполненную воздухом сумочку. Дама пыталась догнать круизный лайнер, на котором, как ей казалось, находился ее супруг (после ссоры с ней прекративший путешествие и улетевший с Мадейры на самолете).

Когда она осознала, что несколько не рассчитала свои силы, и лайнер, и берег были уже далеко.

65-летнюю женщину, находившуюся в холодной воде с восьми вечера до полудня, госпитализировали с переохлаждением.

Эта история кажется забавной, пока температура воды в марте у побережья Мадейры составляет около 18 градусов и пока сама спасенная женщина и читатель сидят в тепле у себя дома. Но как быть, если ваша лодка перевернулась на озере в непогоду или вы каким-то иным образом попали в холодную воду? Стоит ли пытаться согреться движением или нужно экономить тепло, сгруппировавшись и доверившись воле волн и спасательного жилета? Снять ли намокшую одежду, тянущую ко дну, или сохранить ее как защиту от потери драгоценного тепла?

Ответы на эти вопросы дают ученые из Канады и Великобритании, основываясь на предыдущих публикациях на данную тему и испытаниях на добровольцах.

В воде тело человека отдает в 22 раза больше тепла, чем на воздухе, поскольку теплопроводность вещества возрастает с плотностью, ведь в более плотных веществах нужно привести в движение больше молекул. Поэтому исследователи в середине прошлого века в основном заключали, что при попадании в холодную воду не стоит тратить силы напрасно, ведь движения только усиливают приток холодной воды и усиливают приток крови к работающим мышцам конечностей, понижая общую температуру тела.

Но эксперименты показывают, что все зависит от обстоятельств: если спасения на месте ждать не приходится, а до берега недалеко, можно попробовать достичь его вплавь.

Обычно человек в холодной (12–18 градусов) воде может плыть около 45 минут, перед тем как его настигнут усталость и переохлаждение.

Этого времени достаточно, чтобы преодолеть дистанцию приблизительно в 800–1500 м.

Одежда: за и против

Одежда, помогающая поддерживать температуру поверхности тела в среднем на 2 градуса выше, значительно замедляет и затрудняет движения при плавании, на треть укорачивая имеющееся в вашем распоряжении время и преодолеваемую дистанцию. Поэтому, если вы планируете достичь берега вплавь, целесообразнее от нее избавиться (по крайней мере от верхней). Если берег далеко, стоит, напротив, сохранить побольше слоев одежды при себе, воспользоваться спасательным жилетом или уцепиться за плавающий предмет (по возможности уменьшив площадь соприкосновения тела и воды) и ожидать помощи.

В таком положении можно изредка болтать ногами в воде, чтобы не замерзнуть от неподвижности, а вот гребки руками сильнее увеличивают потерю тепла.

Но если вы резко и неожиданно попали в холодную воду, плавательные движения, скорее, превратятся в бессмысленное барахтанье и принесут больше вреда, чем пользы. Поэтому первым делом ученые советуют успокоиться, приняв вертикальное положение, и подождать 1–3 минуты, чтобы отдышаться и справиться с шоком от соприкосновения с холодной водой (конечно, если нет необходимости покинуть место вашего падения, например отсутствует опасность быть затянутым в воронку от тонущего корабля, знакомую по фильму «Титаник»). Использовать эти секунды спокойствия стоит на принятие решения о дальнейших действиях, составление плана спасения — не забывайте, что переохлаждение замедляет обменные процессы в организме и через некоторое время вас скорее настигнут усталость и желание опустить руки во всех смыслах, чем гениальные идеи. Но есть и хорошая новость: как пишут канадские ученые, люди с вероятностью более чем 86% точно определяют, сколько времени нужно, чтобы достичь цели, двигаясь с данной скоростью. Несмотря на то что некоторые склонны переоценивать абсолютное расстояние до цели в три раза (точностью в 77% могут похвастаться в основном капитаны морских судов), люди почти всегда угадывают, смогут ли они доплыть до конкретного объекта.

На берегу

Как бы банально это ни звучало, первое, что нужно сделать в борьбе с переохлаждением, — избавиться от действия холода. Выбравшись на берег, мокрую одежду (если она оставалась на вас) следует хорошенько выжать и по возможности просушить.

Если погода оставляет желать лучшего, вокруг ни души, поблизости нет зданий с источником тепла, у вас нет палатки и сухих вещей, чтобы переодеться, горячего чая, а также не из чего развести костер (плоский и пустынный остров), наденьте выжатую одежду обратно.

Усугубляет воздействие температуры ветер и влажность: даже при плюс 6–7 градусах Цельсия есть вероятность погибнуть от гипотермии и без погружения в холодную воду, как это случилось с десятилетним мальчиком Яном Рязановым из Киришского района Ленинградской области на соревнованиях по спортивному ориентированию. Та же участь ожидала троих участников соревнований по спортивной ходьбе в ветреный дождливый день в Великобритании в 1964 году. Поэтому постарайтесь уменьшить соприкосновение с холодными и мокрыми поверхностями. Даже сев не на камень, а на бревно, можно уже значительно снизить потери тепла. Поищите укрытие от дождя и ветра, хотя бы частичное.

Обманчивое тепло

Придите в себя, поначалу не делая резких движений: помните, что когда теплая кровь наконец прильет в большем количестве к конечностям, обратно к внутренним органам она пойдет уже холодной. Резкое расширение капилляров, вызванное внезапным и неравномерно нагревающим тело теплом (от того же костра), может привести к критическому падению давления и даже смерти. Поэтому согреваться нужно постепенно.

Зимой не рекомендуется растирать замерзшие участки кожи снегом: при переохлаждении чувствительность кожи уменьшается, она немеет, поэтому можно незаметно для себя сильно ее травмировать, занести инфекцию, получить обморожение.

Растирать открытые участки лучше мягкой сухой тканью, в крайнем случае — сухой рукой.

Еще одно распространенное заблуждение — польза алкоголя в борьбе с гипотермией. Если алкоголь и может помочь, то лишь в небольших количествах, да и то когда человек находится в тепле и уже немного отогрелся. На морозе или ветру расширение сосудов, как уже говорилось, чревато снижением давления и самыми тяжелыми последствиями.

В целом же руководством к дальнейшим действиям должен стать девиз «движение — это жизнь»: если вам предстоит провести ночь в ожидании, лучше не поддаваться усталости и не засыпать. Во-первых, лежать на мокрой земле всегда холоднее, чем стоять, во-вторых, сон в таком состоянии может стать последним.

Выжившие 11 детей, которых нашли жители поселка Кудамы, спаслись больше благодаря количеству: обессилев настолько, что двигаться они уже не могли, ребята спали под полиэтиленом, сгрудившись в кучу.

Один человек в таких условиях, скорее всего, выжить бы не смог, поэтому в отсутствие теплой и сухой одежды способ согреться напоминает название фильма про зомби: нужно объединить тепло тел разных людей, уменьшив общую площадь соприкосновения с воздухом (таким же методом можно согреть и одного человека).

Кстати о полиэтилене: если вы еще не промокли, а у вас есть полиэтиленовые пакеты, можно надеть их на носки под обувь, чтобы это предотвратить. Также на морозе или при сильном ветре можно защититься тканевыми или даже картонными масками. Как показали норвежские исследователи, сравнив разные типы материалов, в которые можно завернуться и укутаться, наилучшим вариантом является комбинация из паронепроницаемого слоя (того же пакета) и слоя сухой одежды, а вот пузырчатая пленка без дополнительных материалов защищает от потери тепла гораздо меньше.

Главное — стратегия!

Если идти особенно некуда или вы уже порядком замерзли, на помощь придут физические упражнения (например, махи ногами и руками). Но не позволяйте себе вспотеть (особенно если ваша одежда снаружи сухая), лучше немного отдохните и отдышитесь. В некоторых случаях разумнее вообще остаться на месте (если ваша машина застряла в сугробе, а до жилья идти довольно долго, возможно, стоит подождать помощи в ней, так как там теплее и вас будет проще найти).

Когда человек все-таки спасен и находится в теплом помещении, а вызванный врач еще едет, не следует забывать о правиле постепенного и равномерного нагрева, чтобы не добить пострадавшего до его прибытия.

При сильном переохлаждении нет смысла прикладывать грелки к рукам и ногам пострадавшего: как мы помним, больше всего крови сосредоточено вокруг жизненно важных органов и обогрев надо начинать с тела.

Помогают также полотенца, смоченные теплой водой, или погружение в теплую (не ниже 30 градусов), но не горячую (не выше 40 градусов) воду. Толстый слой одеял в отапливаемом помещении тоже поначалу лишь мешает пострадавшему согреться, изолируя его от теплого воздуха (если, конечно, сами одеяла не нагреты). Поможет пострадавшему и горячий чай.

Промокли вы или нет, зима на улице или лето, помните: худшим врагом в любой экстренной ситуации может стать паника, которая мешает трезво оценить шансы на спасение и найти выход, спасти себя или замерзшего товарища. Такого же мнения придерживаются и канадские ученые, в уже упомянутой выше статье утверждающие, что лишь 10–15% во время экстренных ситуаций сохраняют присутствие духа. Постарайтесь войти в их число.

Источник